花崗巖殘積土水-力相互作用特性研究

黃 冠,簡文星,譚宏大

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院，湖北 武漢 430074)

花崗巖在我國東南部分布相當(dāng)廣泛，其出露面積在閩、粵兩省約占其總面積的30%～40%，在贛、桂、湘三省約占其總面積的10%～20%。由于風(fēng)化后形成的花崗巖殘積土具有擾動、軟化和崩解等特性，因此在降雨入滲條件下，花崗巖殘積土邊坡容易發(fā)生變形破壞，會造成大量人員傷亡和經(jīng)濟損失。目前已有許多學(xué)者對花崗巖殘積土的工程特性進(jìn)行了研究，包括崩解特征、結(jié)構(gòu)特征、強度特征和非飽和力學(xué)特征等。如陳秋南等[1]、趙建軍等[2]、肖晶晶[3]、周小文等[4]、鄧署冬等[5]、許旭堂等[6]從微觀結(jié)構(gòu)、成分及含水量等方面研究了花崗巖殘積土的強度變化規(guī)律；湯連生等[7]研究認(rèn)為非飽和花崗巖殘積土中由于膠結(jié)作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)力為可變結(jié)構(gòu)吸力，該吸力隨含水量和孔隙比的增加而減小，隨干密度的增加而增大。

土體的水-力相互作用特性研究包括土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力特征曲線等方面。湯連生等[8]、陳東霞等[9]和徐穎[10]對花崗巖殘積土的土-水特征曲線的影響因素，包括初始含水量、干密度、豎向應(yīng)力及干濕循環(huán)等進(jìn)行了研究；Gao等[11]、Qian等[12]、Hossain等[13]研究認(rèn)為基質(zhì)吸力是影響花崗巖殘積土變形破壞的重要因素；龍志東等[14]研究了不同密度條件下重塑花崗巖殘積土土樣的土-水特征曲線，并對不同吸濕與脫濕曲線進(jìn)行了分析；陳宇龍等[15]對脫濕與吸濕過程中引起非飽和土的土-水特征曲線發(fā)生滯后效應(yīng)的影響因素進(jìn)行分析，認(rèn)為瓶頸效應(yīng)、不同接觸角和空氣體積是造成其滯后效應(yīng)的主要因素。

在上述研究的基礎(chǔ)上，本文基于室內(nèi)土工試驗和瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗獲得了花崗巖殘積土原狀樣在脫濕與吸濕條件下的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力特征曲線，并考慮到干密度對非飽和花崗巖殘積土和力學(xué)性質(zhì)的影響，對花崗巖殘積土的水-力相互作用特性進(jìn)行了研究，其研究結(jié)果可為花崗巖殘積土邊坡的穩(wěn)定性分析與防護提供參考依據(jù)。

1 花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)

本文選擇自江西安遠(yuǎn)—定南高速公路A7標(biāo)段K200+503-K200+714右側(cè)邊坡附近典型的花崗巖殘積土邊坡的土樣為研究對象，經(jīng)基巖礦物試驗鑒定后定名為二長花崗巖殘積土，通過對花崗巖殘積土原狀樣進(jìn)行基本的土工試驗，得到其基本物理性質(zhì)參數(shù)(見表1)和顆粒分析累積曲線(見圖1)。

表1 花崗巖殘積土原狀樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)

圖1 花崗巖殘積土原狀樣的顆粒分析累積曲線Fig.1 Analytical cumulative curve of particles of granite residual soil

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50021—2009)，依據(jù)花崗巖殘積土原狀樣土的液塑限指數(shù)和顆粒分析累積曲線，可將該二長花崗巖殘積土定為粉質(zhì)黏土。

2 花崗巖殘積土的瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗

2.1 試驗方法和方案

本次試驗采用美國科羅拉多礦業(yè)大學(xué)Ning Lu教授等聯(lián)合研發(fā)的瞬態(tài)脫濕與吸濕系統(tǒng)(TRIM試驗)，對花崗巖殘積土樣進(jìn)行土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線的測量，可以獲得脫濕與吸濕條件下全吸力范圍(0～106kPa)內(nèi)花崗巖殘積土樣的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線等。試驗土樣的規(guī)格為61.8 mm(直徑)×40 mm(高)的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)刀樣。試驗過程中先將系統(tǒng)和土樣進(jìn)行飽和，脫濕條件下給系統(tǒng)先施加一個較小的壓力使土樣進(jìn)行排水，待水不再排出后再施加一個較大的壓力繼續(xù)使土樣進(jìn)行排水直至平衡，脫濕過程結(jié)束后將氣壓調(diào)為零，使土樣進(jìn)入吸濕狀態(tài)直至達(dá)到平衡。水流入或流出的時間序列數(shù)據(jù)可以在試驗中獲得，將試驗獲得的瞬態(tài)流入或流出水量作為目標(biāo)函數(shù)，利用Hydrus-1D程序反演計算可以得到花崗巖殘積土樣水-力相互作用的特性參數(shù)，并利用該參數(shù)獲取土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線。

本試驗分為兩組：第一組為花崗巖殘積土原狀樣，其編號為Y-1、Y-2、Y-3；第二組為花崗巖殘積土重塑樣，取花崗巖殘積土擾動樣過5 mm篩，在土樣中加水使花崗巖殘積土樣的含水率達(dá)到最優(yōu)含水率0.211，并利用擊實儀器，制成干密度分別為1.36 g/cm3、1.46 g/cm3和1.67 g/cm3的擊實土樣，其中1.67 g/cm3為花崗巖殘積土樣的最大干密度，再用61.8 mm(直徑)×40 mm(高)的環(huán)刀切取重塑土樣，不同干密度花崗巖殘積土重塑樣的編號分別為C-1、C-2、C-3。

2.2 試驗結(jié)果與分析

通過瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗(TRIM試驗)，可獲得花崗巖殘積土樣瞬態(tài)流入或流出水量與時間的關(guān)系曲線(見圖2)，并通過Hydrus-1D程序反演計算，可得到在脫濕與吸濕過程中花崗巖殘積土樣水-力相互作用特性曲線的模型參數(shù)，見表2。

圖2 花崗巖殘積土樣瞬態(tài)流入或流出水量與時間的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves between transient outflow or inflow water and time of granite residual soil samples

模型參數(shù)的不同決定了脫濕與吸濕條件下花崗巖殘積土水-力相互作用特性的差異。本文分別取原狀樣Y-1、Y-2、Y-3模型參數(shù)的平均值Y作為花崗巖殘積土原狀樣的模型參數(shù)，取重塑樣C-1、C-2、C-3的模型參數(shù)為花崗巖殘積土重塑樣的模型參數(shù)，對其水-力相互作用的特性進(jìn)行分析。

當(dāng)花崗巖殘積土原狀樣與重塑樣的干密度相同時，由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)和初始含水率不同，兩者各特性參數(shù)會有一定的差異，而且花崗巖殘積土重塑樣隨著干密度的增大，參數(shù)α、n減小，殘余含水率θr增大，而參數(shù)α又是與進(jìn)氣值有關(guān)的參數(shù)，因此土樣的干密度越大，其進(jìn)氣值越大。

3 花崗巖殘積土水-力相互作用的特性分析

3.1 花崗巖殘積土的土-水特征曲線和滲透系數(shù)函數(shù)曲線

目前已有大量學(xué)者研究了花崗巖殘積土基質(zhì)吸力與含水率變化之間的關(guān)系式，并提出了許多本構(gòu)模型，常見的有Van Genuchten模型、Fredlund and Xing模型和Gardner模型等。如羅小艷[16]采用三種模型對花崗巖殘積土的土-水特征曲線進(jìn)行了擬合，結(jié)果認(rèn)為VG模型能更好地擬合花崗巖殘積土土-水特征曲線的實際形狀。VG模型可表示如下[17]：

(1)

式中：θ為土體任意時刻的體積含水率；θs為土體飽和體積含水率；θr為土體的殘余體積含水率；h為土體的基質(zhì)吸力(kPa)；α、n為優(yōu)化參數(shù)，其中參數(shù)α與空氣進(jìn)氣值有關(guān)(kPa-1)，約等于進(jìn)氣值的倒數(shù)，參數(shù)n與土體孔徑的分布有關(guān)，控制土-水特征曲線的斜率。

隨著土體體積含水率的變化，土體的滲透系數(shù)也發(fā)生著顯著的變化。因測定非飽和土體的不同體積含水率對應(yīng)的滲透系數(shù)比較困難，故通過瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗，可得到確定土體滲透系數(shù)函數(shù)曲線的模型參數(shù)。本文采用Mualem模型，其表達(dá)式如下：

(2)

式中：K為土體的滲透系數(shù)(cm/s)；Ks為土體的飽和滲透系數(shù)(cm/s)，經(jīng)滲透試驗獲?。黄溆鄥?shù)意義同公式(1)。

本文以花崗巖殘積土原狀樣Y和重塑樣C-1、C-2、C-3為研究對象，基于表2的模型參數(shù)，可得到花崗巖殘積土各土樣的土-水特征曲線(SWCC)和滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線，見圖3。

圖3 吸濕與脫濕條件下花崗巖殘積土原狀樣和重塑樣的土-水特征曲線(SWCC)和滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線Fig.3 SWCC and HCF curves of original and remolded samples of granite residual soil under dehumidification and hygroscopicity conditions

此外，由圖3可見，花崗巖殘積土樣的滲透系數(shù)函數(shù)曲線在單對數(shù)坐標(biāo)系下呈現(xiàn)非線性特征，土樣在初期排水過程中，其滲透系數(shù)有明顯的降低。這是因為：初期排水主要是從連通性較好的大孔隙排出，隨后的排水過程中在孔隙中產(chǎn)生了許多“汽包”，阻礙了水分的運移通道，土體的滲透系數(shù)不斷降低，在接近殘余體積含水率時，土體孔隙內(nèi)的“汽包”數(shù)量達(dá)到最大，孔隙水主要以不連續(xù)彎液面的形式存在于顆粒之間，土體的滲透系數(shù)降到最低，接近于0；在同一基質(zhì)吸力下，由于脫濕路徑下土體內(nèi)被水充填的孔隙體積較大，因此相對吸濕路徑下土體有較大的滲透系數(shù)。

綜上研究可知，具體工程實踐中花崗巖殘積土邊坡在蒸發(fā)或重力排水的脫濕過程中，土體的滲透系數(shù)不斷降低，而在降雨入滲、毛細(xì)上升的吸濕過程中，花崗巖殘積土邊坡的滲透性能不斷增強，對探討花崗巖殘積土坡體穩(wěn)定性具有一定的指導(dǎo)意義。

3.2 花崗巖殘積土的吸應(yīng)力特征曲線

Lu等[18-20]提出利用吸應(yīng)力σs代替Bishop有效應(yīng)力參數(shù)χ和基質(zhì)吸力來定義土體的粒間力，并提出了土體吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力或飽和度的函數(shù)關(guān)系式：

(3)

式中：σs為土體的吸應(yīng)力(kPa)；S為土體的飽和度；Sr為土體的殘余飽和度；Se為土體的有效飽和度；ua為土體的孔隙氣壓力(kPa)；uw為土體的孔隙水壓力(kPa)；其余參數(shù)意義與公式(1)式相同。

同時,Lu經(jīng)公式推導(dǎo)出以基質(zhì)吸力(ua-uw)形式表示的土體吸應(yīng)力閉型方程：

(4)

式中：各參數(shù)意義同公式(1)、(3)。

根據(jù)表2中的模型參數(shù)和公式(4)，可繪制花崗巖殘積土的吸應(yīng)力特征曲線(SSCC)，見圖4。

圖4 吸濕與脫濕條件下花崗巖殘積土原狀樣和重塑樣的土-水特征曲線(SWCC)和吸應(yīng)力特征曲線(SSCC)Fig.4 SWCC and SSCC curves of original and remolded samples of granite residual soil under dehumidification and hygroscopicity conditions

由圖4可見，花崗巖殘積土樣的吸應(yīng)力與基質(zhì)吸力具有一一對應(yīng)的關(guān)系，而且其變化趨勢具有一致性；隨著土樣體積含水率的增大，其吸應(yīng)力不斷減小，且土樣的吸應(yīng)力小于基質(zhì)吸力；當(dāng)土樣的體積含水率相同時，脫濕條件下土樣的吸應(yīng)力大于吸濕條件下土樣的吸應(yīng)力。

以花崗巖殘積土原狀樣為研究對象，在脫濕條件下，當(dāng)土樣的體積含水率為15.71%時，土樣的最大吸應(yīng)力為1 927.4 kPa；而在吸濕條件下，當(dāng)土樣的體積含水率為15.0%時，土樣的最大吸應(yīng)力為110.7 kPa。同時，在脫濕條件下，土樣的初始邊界條件為飽和度100%，隨后在壓力作用下飽和度逐漸降低，當(dāng)土樣的體積含水率達(dá)到48.5%時，土樣的基質(zhì)吸力與吸應(yīng)力曲線開始分離，當(dāng)接近土樣的殘余體積含水率時，曲線分離顯著，土樣的基質(zhì)吸力與吸應(yīng)力的差值接近20倍；在吸濕條件下，土樣的的初始邊界條件為體積含水率接近殘余體積含水率，土樣的基質(zhì)吸力與吸應(yīng)力的差值大約為100倍，隨著飽和度的增大，兩者之間的差異逐漸減小，當(dāng)土樣的體積含水率達(dá)到40.8%時，土樣的基質(zhì)吸力與吸應(yīng)力曲線開始重合。

以上分析說明花崗巖殘積土在脫濕與吸濕過程中的水-力相互作用特性明顯不同，存在滯后性，而這種滯后性可以解釋花崗巖殘積土地區(qū)降雨誘發(fā)型滑坡為什么發(fā)生在降雨之后的幾個小時之內(nèi)。因此，針對花崗巖殘積土在脫濕與吸濕過程中吸應(yīng)力變化規(guī)律的研究，對探討花崗巖殘積土水-力相互作用的特性和邊坡的穩(wěn)定性方面具有重要的意義。

3.3 干密度對花崗巖殘積土水-力相互作用特性的影響

本文將獲取的花崗巖殘積土不同干密度下重塑樣的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力特征曲線進(jìn)行脫濕與吸濕路徑的對比分析，討論在脫濕與吸濕條件下，不同干密度花崗巖殘積土土樣的基質(zhì)吸力、吸應(yīng)力、滲透系數(shù)隨體積含水率的變化規(guī)律，以此反映干密度對花崗巖殘積土水-力相互作用特性的影響。

圖5 不同干密度花崗巖殘積土重塑樣土-水特征曲線(SWCC)、滲透系數(shù)函數(shù)(HCF)曲線和吸應(yīng)力特征曲線(SSCC) 的脫濕與吸濕對比Fig.5 Dehumidification and hygroscopicity contrast of SWCC,HCF and SSCC curves of granite residual remodeling soil samples under different dry densities

由圖5(a)、(b)可見，花崗巖殘積土樣的體積含水率越大，基質(zhì)吸力越小，且相同體積含水率下，土樣的干密度越大，基質(zhì)吸力越大；脫濕和吸濕過程中，土樣的滲透系數(shù)與體積含水率呈現(xiàn)“正相關(guān)”趨勢，即土樣的體積含水率越大，滲透系數(shù)越大，且相同體積含水率下，土樣的干密度越大，滲透系數(shù)越小。由圖5(c)、(d)可見，花崗巖殘積土樣吸應(yīng)力的變化規(guī)律與基質(zhì)吸力具有一致性，即土樣的干密度越大，吸應(yīng)力越大。

由于非飽和土孔隙內(nèi)的壓力要保持平衡，隨著基質(zhì)吸力的增大，水分不斷被排出，土體的含水率降低。干密度較小的土體，壓實度低、孔隙比大、大孔隙數(shù)量多，飽和后初始體積含水率高，容易失水，較快的失水速率使得干密度較小的土體在較大基質(zhì)吸力的作用下，水分大量排出，土體的含水率較低。從顆粒的連接關(guān)系來看，干密度小、含水率高的土體，雙電荷影響下結(jié)合水膜較厚，顆粒的連接較弱。因此，干密度小的土體，進(jìn)氣值較小，失水速率較大；干密度大的土體，孔隙小、連通性好，空氣不容易進(jìn)入土體，進(jìn)氣值較大，這與前述試驗所得的參數(shù)一致?？梢?，土體的干密度越大，進(jìn)氣值越大，土體的持水能力越強。在實際工程中，如路基填筑、回填土壓實等工程中應(yīng)控制好土體壓實的干密度，這對土體的水穩(wěn)定性有著較大的影響。

4 結(jié) 論

通過對花崗巖殘積土原狀樣和不同干密度下花崗巖殘積土重塑樣進(jìn)行室內(nèi)基本土工試驗和瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗，得到花崗巖殘積土的基本物理性質(zhì)參數(shù)和不同土樣的土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線、吸應(yīng)力特征曲線，并對不同干密度下花崗巖殘積土重塑樣脫濕與吸濕路徑進(jìn)行了對比分析，得出如下結(jié)論：

(1) 瞬態(tài)脫濕與吸濕試驗?zāi)茉谳^短時間內(nèi)(約為1周內(nèi))獲取試驗土樣的水文-力學(xué)性質(zhì)，包括土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線和吸應(yīng)力特征曲線，與其他測量土-水特征曲線的方法相比具有明顯的優(yōu)勢。

(3) 花崗巖殘積土土-水特征曲線、滲透系數(shù)函數(shù)曲線、吸應(yīng)力特征曲線在脫濕與吸濕條件下存在著明顯的滯后效應(yīng)：脫濕與吸濕條件下花崗巖殘積土樣的基質(zhì)吸力和吸應(yīng)力隨體積含水率的增大而減小，土樣的滲透系數(shù)隨體積含水率的增大而增大。

(4) 花崗巖殘積土在相同體積含水率下，干密度越大，基質(zhì)吸力也越大；脫濕和吸濕過程中，土樣的滲透系數(shù)與體積含水率呈現(xiàn)“正相關(guān)”趨勢，且相同體積含水率下，土樣的干密度越大，滲透系數(shù)越??；土樣的吸應(yīng)力變化規(guī)律與基質(zhì)吸力具有一致性，土樣的干密度越大，吸應(yīng)力也越大。